FACHBEREICH PHYSIKElektronik–Praktikum

Messgeräte messgeraete.tex KB 20061119

Neben einem PC zur Steuerung und Auswertung von Messungen so-wie zum weiterführenden Arbeiten mit MATLAB, Simulationsprogram-men o. ä. sind die Arbeitsplätze im Elektronik-Praktikum jeweils mitDigitalspeicheroszilloskop, Funktionsgenerator und programmierbaremMess- und Steuergerät ausgestattet. Alle Geräte sind vom PC aus überMATLAB-Skripte oder -Funktionen bedienbar. Zur Verbindung werdenStandardschnittstellen des Rechners verwendet (Funktionsgenerator anCOM1, Oszilloskop an COM2, Mess- und Steuergerät am Ethernet).

Inhaltsverzeichnis

1 Oszilloskop 2

2 Funktionsgenerator 3

3 Mess- und Steuergerät 4

Literatur und Links 5

2 Elektronik–Praktikum Physik

1 Oszilloskop

Das am Arbeitsplatz verwendete Oszilloskop TDS 210 der Firma Tek-tronix [1] ist ein Digitalspeichergerät mit zwei Kanälen zu je 2500 Mes-spunkten, einer maximalen Bandbreite von 60 MHz, einer maximalenAbtastrate von 1 GHz und 8 Bit Amplitudenauflösung. Weitere techni-sche Daten sind dem Benutzerhandbuch zu entnehmen [2].

Neben der manuellen Bedienung ist eine vollständige Rechnersteuerungaller Funktionen möglich, eine detaillierte Beschreibung findet man imProgrammierhandbuch [3]. Die serielle Verbindung mit dem Rechner wirdüber ein Null-Modem-Kabel hergestellt.

Als Beispiel für die Programmierung eine MATLAB-Funktion für die Da-tenübertragung vom Oszilloskop zum Rechner:

function y = scope(channel)if nargin==0, channel=1; end;if channel<1, channel=1; end;if channel>2, channel=1; end;osc = serial(’COM2’);osc.FlowControl = ’hardware’;osc.InputBufferSize = 3000;osc.Terminator = ’CR/LF’;fopen(osc);fprintf(osc, ’SEL:CH%d ON\n’, channel);fprintf(osc, ’DAT:SOU CH%d\n’, channel);fprintf(osc, ’DAT:ENC RPB\n’);fprintf(osc, ’CURV?\n’);a = 0;while char(a)~=’#’,

a = fread(osc,1,’uchar’);end;

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b = fread(osc,1,’uchar’);n = fread(osc,str2num(char(b)),’uchar’);y = fread(osc,str2num(char(n.’)),’uint8’);fclose(osc);delete(osc);clear osc;

Die ersten beiden fprintf–Anweisungen selektieren den gewünsch-ten Kanal, dann wird das Datenformat auf binär eingestellt. CURV? istdie Aufforderung zur Übermittlung der Daten. Die Folge der fread–Anweisungen widerspiegelt das Datenformat des Oszilloskops bei bi-närer Kodierung. Einem #-Symbol folgt eine Ziffer, die angibt, aus wievielen Ziffern die nachfolgende Zahl besteht; diese wiederum gibt dieAnzahl der darauf folgenden Binärdaten an. Alles klar?

2 Funktionsgenerator

Als Signalgenerator wird das Modell 33120A der Firma Agilent [4] (frü-her: Hewlett Packard) eingesetzt. Neben einfachen Signalformen wie Si-nus oder Rechteck kann der Generator auch lineare oder logarithmi-sche Frequenz-Sweeps sowie amplituden- oder frequenzmodulierte Si-gnale erzeugen. Darüber hinaus sind beliebige benutzerdefinierte Span-nungsverläufe möglich. Die Maximalfrequenz beträgt 15 MHz.

Alle Funktionen mit Ausnahme der benutzerdefinierten Signalformensind manuell durch die Tasten und den Drehknopf an der Frontseiteeinstellbar. Für einfache Messungen oder Tests ist dies ausreichend,bei komplexeren Abläufen sollte die Steuerung vom Rechner aus erfol-gen. Zur Kopplung sind eine IEC-Bus- und eine serielle Schnittstellean der Rückseite vorhanden (aktive Schnittstelle und Schnittstellenpa-rameter können über ein Menü manuell eingestellt werden), die Bedie-nung durch den Rechner erfolgt über einfache Text-Kommandos. Eineausführliche Beschreibung aller Funktionen des Signalgenerators sowiealler Programmiersequenzen enthält das Gerätehandbuch [5].

4 Elektronik–Praktikum Physik

Etwas komplizierter als üblich ist die seriel-le Verbindung, da Agilent die Steuerleitungender Schnittstelle in spezieller Weise verwen-det. Zwischen Null-Modem-Kabel und Genera-tor 33120 wird ein zusätzliches Adapterkabelnach nebenstehendem Schaltschema benötigt.Achten Sie darauf, immer das richtige Adapter-kabel zu verwenden.

Die Programmierung des Funktionsgenerators in MATLAB veranschau-licht das folgende Fragment:

function gensinus(freq, volt)gen = serial(’COM1’);fopen(gen);gen.FlowControl = ’hardware’;s = sprintf(’APPL:SIN %3.1f, %3.1f\n’, freq, volt);fprintf(gen, s);fclose(gen);delete(gen);clear gen;

Ähnlich wie FlowControl können auch andere Eigenschaften einge-stellt werden (BaudRate, Parity etc.).

3 Mess- und Steuergerät

Das progammierbare Mess- und Steuergerät enthält je 4 analoge Ein-und Ausgänge sowie 8 TTL-Eingänge, 8 TTL-Ausgänge und 8 Relais-ausgänge mit Umschaltkontakten. Damit kombiniert ist ein Stromver-sorgungsteil mit Festspannungen zum Betrieb der Experimentalschal-tungen. Eine Zusammenfassung der technischen Daten und eine de-taillierte Funktionsbeschreibung enthält die technische Anleitung zumGerät [6] (auch als englische Version verfügbar). Das Mess- und Steu-ergerät basiert auf einem Ein-Chip-Microcontroller und kann dadurchsehr flexibel konfiguriert werden. Zurzeit wird es mit einem einfachen

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Steuerprogramm betrieben, das Kommandos interpretiert, die über dieEthernet-Schnittstelle geschickt werden. Damit können die Ausgängegesetzt und die Eingänge abgefragt werden.

Eine MATLAB-Funktion, die mit diesem Steuerprogramm korrespon-diert, kann mit den jetzt in MATLAB vorhandenen Java-Möglichkeitenrealisiert werden. Die nachstehende Funktion misst eine Strom-Span-nungs-Kennlinie, indem von einem D/A-Wandler ein einstellbarer Stromvorgegeben wird und über einen A/D-Wandler die Spannung gemessenwird:

function [v, c] = voltcurrimport java.net.*so = java.net.Socket(’ipc1’, 1234);pause(1);c = -2000:20:2000;v = [];for curr = c,

s = sprintf(’da3 %d’, curr);SocketIO(so, s);sData = SocketIO(so, ’ad1’);v = [v, str2double(sData)];

end;pause(1);so.close;

% ***** Local Subfunction SocketIOfunction recvStr = SocketIO(socket, sendStr)

str = java.lang.String(sendStr);out = socket.getOutputStream;out.write(str.getBytes);in = socket.getInputStream;isr = java.io.InputStreamReader(in);ibr = java.io.BufferedReader(isr);recvStr = ibr.readLine;

Mit java.net.Socket wird die TCPIP-Verbindung zum Steuergerät eta-bliert, am Ende mit close wieder geschlossen. Zuvor wird das zustän-dige Java-Paket java.net explizit importiert.

Zur Kommunikation wird die lokale Subfunktion SocketIO definiert,die den zu sendenden MATLAB-String in einen Java-String wandelt unddiesen über das OutputStream–Objekt des Sockets verschickt. Auf dasInputStream-Objekt wird ein BufferedReader gesetzt, dessen Funk-tion readLine die Antwort des Steuergeräts liest.

Literatur und Links

[1] http://www.tek.com.

[2] Tektronix. User Manual TDS 200 Series. Handbuch.

[3] Tektronix. Programmer Manual TDS 200 Series. Handbuch.

6 Elektronik–Praktikum Physik

[4] http://www.agilent.com.

[5] Hewlett Packard, Agilent. Bedienerhandbuch für den Funktionsgene-rator 33120A. Handbuch, 1994.

[6] http://www.physik.uni-osnabrueck.de/kbetzler/ep/anl/epst.pdfenglisch:http://www.physik.uni-osnabrueck.de/kbetzler/ep/anl/epst.pdf.